Kinetyka i mechanism procesu agregacji peptydów w symulacjach dynamiki molekularnej - Szała-Mendyk, Beata (My University, 2021)
Zjawisko agregacji białek i peptydów cieszy się dużym zainteresowaniem naukowców ze względu na swoje biologiczne znaczenie, jak również potencjalne zastosowanie w technologii. Mimo licznych wysiłków, mechanizm molekularny tego procesu nie został dotychczas całkowicie wyjaśniony. Szczególnie trudne dla badań eksperymentalnych jest prowadzenie obserwacji początkowych etapów agregacji. W tym miejscu z pomocą przychodzą symulacje dynamiki molekularnej, które umożliwiają przyglądanie się procesom biologicznym na poziomie pojedynczych cząsteczek. W przeciwieństwie do często podejmowanych badań równowagowych, niniejsza praca koncentruje się dodatkowo na kinetyce i mechanizmie formowania początkowych oligomerów, które podejrzewane są o większą nawet toksyczność niż dojrzałe agregaty. Podobieństwa i różnice procesu agregacji zbadane zostały w zależności od sekwencji aminokwasowej i właściwości łańcucha peptydowego. Wyniki dały wgląd w molekularne przyczyny obserwowanego polimorfizmu fibryli jak i różnice w przebiegu samego procesu. W niniejszej pracy zastosowane zostały modele gruboziarniste, aby zredukować koszt obliczeniowy i dzięki temu zwiększyć rozmiar badanych systemów w stosunku do ujęcia atomistycznego. Pierwszym użytym modelem jest rozwijany w naszej grupie badawczej Model Minimalny, który przedstawia peptydy z dokładnością jednego super-atomu na aminokwas, co odpowiada reprezentacji łańcucha głównego z pominięciem łańcuchów bocznych. Takie podejście umożliwia prześledzenie wpływu jaki na agregację wywierają ogólne właściwości peptydów, tzn. takie, które wynikają ze specyfiki łańcucha głównego. Model ten pozwolił na odtworzenie strukturalnej oraz kinetycznej różnorodności obserwowanej w eksperymencie jako funkcji dwóch parametrów, sztywności łańcucha oraz siły oddziaływań niewiążących. Ponadto, model ten ujawnił występowanie chiralnych fluktuacji dla oligomerów. Pomimo braku wewnętrznej chiralności, peptydy skręcają się spontanicznie w tym samym kierunku, przy czym wypadkowa chiralność całego agregatu oscyluje pomiędzy prawo- i lewo-skrętnością w trakcie symulacji. Czas życia stanów chiralnych, oraz amplituda skrętu, zależą od masy klastru. Fluktuacje te rzucają nowe światło na pochodzenie polimorfizmu dojrzałych fibryli, obserwowanego zarówno in vitro, jak i in vivo. W drugiej części pracy wykorzystany został model opracowany przez Bereau i Deserno (BD). Obecność dodatkowych super-atomów reprezentujących łańcuchy boczne umożliwia zbadanie wpływu structury I-szo rzędowej na proces samoorganizacji peptydów. W tej części skupiono się na dwóch heptapetydach: krótkim fragmencie białka prionowego drożdży o sekwencji GNNQQNY, oraz jego jednopunktowej mutacji, GNNQQNA. Obie cząsteczki agregują według dwu etapowego mechanizmu z utworzeniem fibrylarnych agregatów. Pomimo ogólnych podobieństw, szybkość agregacji maleje, gdy reszta tyrozynowa zastąpiona zostaje przez alaninę. Ponadto, jedno-aminokwasowa mutacja powoduje zmianę w strukturze zarówno początkowych oligomerów jak i finalnych agregatów. Wyniki prezentowane w rozprawie wskazują, iż kinetyka procesu i morfologia agregatów zależą od właściwości łańcucha głównego jak i łańcuchów bocznych. Zmiany w strukturze i kinetyce, wywołane modyfikacjami cząsteczek peptydów, nie zachodzą jednocześnie, różnica w strukturze niekoniecznie wiąże się z innym zachowaniem kinetycznym. Niemniej jednak, heterogeniczność finalnych aggregatów znajduje odzwierciedlenie w morfologii początkowych oligomerów, co wskazuje na duże znaczenie wczesnych etapów agregacji dla obserwowanego polimorfizmu amyloidów.

Protein and peptide aggregation has been intensely studied due to its biological importance as well as potential technological applications. Despite much effort, the molecular mechanism of aggregation is still not completely understood. In particular, the initial aggregation steps are difficult to investigate experimentally. To fill this gap, the molecular dynamics simulations have been employed as a method which can give insight into the molecular details of biologically relevant aggregation. This thesis focuses on the equilibrium properties of mature aggregates and on the kinetics and molecular mechanism of transient oligomers formation. Those transient oligomers are potentially more toxic than the mature aggregates. In this thesis the peptide aggregation is studied as a function of the peptide sequence and the chain properties. Our results give information about the molecular origin of aggregation diversity and fibril polymorphism. Due to the computational cost of all-atom simulations, coarse-grained models have been applied allowing for larger systems sizes. We used two coarse-grained models. The first model, developed in our research group, treats each amino acid residue as one super-atom. Such approach allows for investigating how the generic peptide properties connected with the peptide backbone influence aggregation. This model reproduces the diversity of aggregates structures and kinetics observed in experiments as functions of just two parameters, the chain stiffness and the strength of non-bonded interactions. Moreover, this simple model reveals a new feature, the chiral fluctuations of small oligomers. Despite the lack of intrinsic chirality of individual peptide chains, oligomers undergo spontaneous collective twists. The overall handedness of aggregates fluctuates between left and right. The life-times of the twisted states and their amplitudes depend on the cluster mass. The fluctuations, found by our model, shed light on the origin of the chiral polymorphism observed in mature fibrils. In the second part of this thesis, the coarse grained Bereau and Deserno (BD) model is used. The presence of the side chains allows for investigating the sequence-dependence of peptide self-assembly. This part focuses on two heptapeptides: a short fragment from yeast prion protein, GNNQQNY, and its point mutation, GNNQQNA. Both peptides aggregate via the two step mechanism leading to fibril-like structures. The simulations show that the aggregation slows down when the tyrosine residue is replaced by alanine. Moreover, this sequence mutation causes differences in the morphology of the final aggregates and the intermediate oligomers. Our research indicates that the aggregation kinetics and the aggregate morphology depend on the properties of the backbone as modulated by the side chains. Notably, our simulations show that the structural diversity of final aggregates may not be reflected by the diversity of monomer and cluster kinetics. Nevertheless, the internal organization of the initial oligomers parallels the structures of the mature aggregates, which implies the relevance of early aggregation steps.
Kinetics and mechanisms of peptide aggregation from molecular dynamics simulations
Wydział Chemii
Keywords: agregacja peptydów; peptide aggregation; dynamika molekularna; molecular dynamics; modele uproszczone; coarse grained mode